2025-02-24
草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda，FAW）是全球玉米稳产增产的重大威胁，玉米会产生苯并噁嗪类化合物（Bxs）作为抵御草地贪夜蛾的主要次生代谢产物。然而，目前尚不清楚某些存在于草地贪夜蛾消化系统中的内生菌是否能够代谢Bxs，以及这种代谢方式如何增强草地贪夜蛾取食玉米时的适应性。近期，中国科学院昆明植物研究所齐金峰副研究员团队在《Microbiome》（IF=13.8/Q1）上发表了题为《The fall armyworm converts maize endophytes into its own probiotics to detoxify benzoxazinoids and promote caterpillar growth》的研究成果，发现草地贪夜蛾能够将玉米内生菌转化为自身的“益生菌”，进而对Bxs代谢解毒并促幼虫生长。这揭示了鳞翅目害虫的一种全新策略——将宿主植物的“盟友”转化为自身的“盟友”。
派森诺为该研究提供了微生物组学及转录组学测序及分析服务，下面让我们一起来看看这篇文章吧！
研究背景
草地贪夜蛾（FAW）是一种鳞翅目害虫，以350多种植物为食，可以在一个繁殖季节内完成几代，进化迅速，并成为世界范围内的地方性害虫。在中国报道仅一年后，FAW被列为严重威胁玉米生产的一类作物害虫。玉米抗昆虫食草动物的次生代谢产物是苯并恶嗪类（Bxs，包括异羟肟酸及其衍生物），它们是直接参与玉米抗虫反应的广谱化合物，甚至可以作为天然杀虫剂。
目前对植物-食草动物相互作用的研究主要集中在植物次生代谢物对食草动物的积累和解毒酶在昆虫肠道的功能上。然而，对微生物是否有助于植物抵御害虫或帮助害虫解毒和代谢相关的抗虫次生代谢物的研究却很少。本研究旨在确定FAW在食用玉米叶片时是否能将玉米内生菌转化为自身的内生菌，以及转化后获得的物种是否能代谢Bxs，帮助FAW解毒这些化合物，促进其生长，阐明其潜在的机制。
研究结果
1.代谢Bxs的微生物的分离和鉴定
用表面灭菌的野生型玉米叶片喂养正常和无菌的FAW幼虫，发现正常的幼虫体重明显大于无菌幼虫，当这些幼虫分别食用添加Bxs和没有添加Bxs饲粮时，无菌幼虫仅在食用Bxs饲粮时体重增加较少；采用全长16S rRNA测序揭示了正常FAW肠道微生物组组成；采用梯度稀释和富集培养分离出能够以Bxs为碳源和氮源的肠道菌，发现唯一对Bxs代谢有显著影响的菌株是Pantoea dispersa。
图1代谢Bxs的微生物的分离、培养和鉴定
2.P. dispersa在玉米和FAW中的定殖
使用GFP荧光标记P. dispera菌株，发现P. dispera成功定殖在玉米的厚壁组织和维管束中；通过qPCR定量不同组织中GFP的丰度发现P. dispera主要定殖在FAW马氏管中，其次是肠道，且P. dispera在整只FAW幼虫体内的丰度与马氏管中的丰度相当。
图2 P. dispera在玉米和FAW幼虫分散的组织特异性定位
3.马氏管中Bxs的富集
无菌FAW喂食人工饲料至5龄后，再喂食表面灭菌的玉米叶2 d。经过4 h的禁食期后，解剖中肠道和马尔比基管进行Bxs定量检测,发现所有主要Bxs成分在马氏管中的含量均高于中肠。这表明FAW将有害的Bxs成分运输到马氏管，避免中毒反应。
图3马氏管中Bxs的富集及其在促进FAW幼虫生长中的作用
4.P. dispersa促进FAW幼虫生长的作用
为了确定P. dispersa在马氏管中的定殖是否有利于FAW的生长，将接种和未接种P. dispersa的无菌FAW幼虫分别取食野生型和bx2突变体玉米（其中几乎没有Bxs）。发现接种P. dispersa的无菌FAW幼虫增重显著，但以bx2突变体为食对FAW幼虫的生长无影响，说明P. dispersa主要通过代谢Bxs化合物影响FAW的生长，而不是其他代谢物（图3F）。
图4 FAW肠道微生物群和P. dispersa的Bxs代谢
为了评估P. dispersa对整个幼虫肠道微生物组Bxs代谢的总体贡献，进行了体内和体外实验。发现，与无菌组相比，正常组和接种P. dispersa组肠道中Bxs水平均显著降低。由此可见，接种P. dispersa和整个FAW幼虫肠道菌群均可降低FAW肠道Bxs水平。
5.P. dispersa在FAW中的富集及垂直传播
用qPCR技术在七个地区的田间采集的FAW肠道和FAW侵染玉米叶中检测到了P. dispersa，且其在FAW肠道中的绝对丰度显著大于同田采集的玉米叶片，2个月大的野生型玉米叶片中P. dispersa的绝对丰度也显著高于bx2突变体叶片。这些野外数据表明，在自然农田中，P. dispersa广泛地分布在FAW和玉米上。解剖接种GFP标记的P. dispera的蛹前期发现，在转化为FAW益生菌后，P. dispera可以通过FAW卵垂直传播并进行代际传播。
图5 在玉米叶片和FAW肠道中检测到P. dispera及其垂直传播
6.P. dispersa不促进另一种玉米害虫Mythimna separata的生长
为了探索这种草食-微生物关系是否是FAW所独有的，实验人员对接种
P.dispera和不接种P. dispera的另一种玉米害虫M. separata进行了草食性能试验。发现取食玉米叶片对正常M. separata生长有明显影响，但对于接种P. dispera的M. separata生长无显著性差异。
图6 P. dispera对M. separata幼虫的生长发育没有影响
7.不同草食性昆虫的肠道微生物组成
对FAW和两种经常报道的玉米害虫（M. separata和S. litura）的肠道微生物进行了16S全长测序，发现三种昆虫的肠道微生物的群落组成具有显著差异。 P. dispera在FAW中的丰度明显高于其他两种昆虫，在M. separata中丰度高于其他两种昆虫的所有asv都是放线菌门，而在FAW和S. litura中丰度更高的asv都是变形菌门和厚壁菌门。
图7 通过细菌16S rRNA全长基因测序测定三种昆虫的肠道微生物群
8.P dispersa中参与代谢Bxs的候选基因探索
为了寻找P dispersa中与Bxs代谢有关的关键基因，对P dispersa进行了基因组测序和引入Bxs前后的转录组测序。结果显示，P dispersa基因组染色体大小为4.15 Mb，GC含量为57.70%，共包含3824个编码基因。与对照组相比，引入Bxs后，共有396个基因表达上调，237个基因表达下调。在前10个高表达基因中有7个来自质粒，其中plasmid2_41和plasmid2_47是参与Bxs代谢的关键基因。
图8 参与Bxs代谢的候选基因的鉴定
研究结论
（1）以Bxs作为唯一碳氮源，从草地贪夜蛾幼虫的肠道中分离出了P. dispersa，该菌能够在玉米的根和叶片内定殖，并且在草地贪夜蛾幼虫取食标记GFP的玉米叶片后，成功定植于马氏管和肠道中；
（2）P. dispersa能够通过草地贪夜蛾的卵实现垂直传播；
（3）P. dispersa的定殖能够通过代谢 Bxs（而非其他代谢产物）来促进草地贪夜蛾幼虫的生长；
（4）P. dispersa中与Bxs代谢相关的基因是质粒携带的基因而非其染色体上的基因。
原文引用：
Qi, J., Xiao, F., Liu, X. et al. The fall armyworm converts maize endophytes into its own probiotics to detoxify benzoxazinoids and promote caterpillar growth. Microbiome. 2024, 12, 240.
原文链接：
https://doi.org/10.1186/s40168-024-01957-z
